汽车动力学

汽车座椅的设计及可靠性分析

王坦

（武汉理工大学汽车工程学院；汽研0902班；104972091869）

摘要：汽车纵向行驶控制里的一个很重要内容是制动防抱死控制，由于地面和轮胎之间的附着系数随路面情况不同，而引起摩擦的不确定，进而影响ABS系统工作的不确定。因此开发一种更好的控制系统尽量满足制动的需要对于提高汽车的行驶稳定性具有重要作用，而模糊控制可以解决传统控制难以解决的非线性系统，应用前景广阔。

关键词：汽车ABS系统；制动力；模糊控制

The Analysis of Fuzzy Logic Control about the ABS of Automobile

Abstract: The anti-lock braking control is one of the vehicle longitudinal controls which are very important. Because of the irregular of adhesion coefficient between tire and road surface, it has caused the irregular of friction, which may deal to the uncertainty of ABS systems work. Therefore，to develop a better braking control system to meet the needs of the car is playing an important role in the vehicle longitudinal driving stability, and fuzzy control can solve the nonlinear system which the traditional control can not solve, and has broad prospect of application.

Keywords: Vehicle ABS , Braking force, Fuzzy control

引言

根据汽车动力学所指汽车纵向行驶主要包括巡航控制和制动防抱死系统。两者共有的目标就是尽量减小滑移，充分利用地面附着力。根据汽车纵

向滑移率曲线可知当滑移率为15%～20%时制动力最大，此时车轮没有抱死，此时车轮制动力最大，制动距离最短。为了达到这一性能，开发了ABS系统。其最大特点就是车辆能够根据车轮状态和附着条件，实时对车轮制动压力进行增压、保压和减压操作。对于何时进行制动压力控制，有很多控制方法，例如逻辑控制、滑模控制。滑模控制是一种非连续控制方法，而逻辑控制过程连续。虽然它们在一定程度上满足了制动控制的要求，但控制较单一，效果不是很好。采用模糊逻辑控制很好可以解决非线性系统问题，且具有自学习功能，控制效果会更好。

1 模糊控制的原理

模糊控制是智能控制的一种，智能控制的特点是能够根据被控对象的动态过程特征自学习，自组织自身的控制模式，自适应地改变控制器的结构和自动调整参数，以获得最佳控制效果。模糊控制与遗传算法结合，通过模拟人类思维方式和结构来设计用于解决复杂的各种非线性问题的控制策略。

模糊控制器的基本结构如图1所示。

图 1 模糊逻辑控制器的结构

通过结构可以看出控制器主要有四个基本部分组成：模糊规则库、模糊化、模糊推理和清晰化。

模糊化的作用是将精确量转化为模糊量。首先根据系统的状态确定一个范围设为论域U为集合[0，1]，设一个变量u与一个函数对应，函数的值域为U。论域U用0和1之间的连续变化值来描述不确定和模糊事物。

模糊化规则库则是根据控制专家的经验和知识编写的有条件语句和模糊语言变量组成，运用模糊逻辑表达的一系列控制规则。运用模糊数学将建

立语言的模糊集合，模糊算子和模糊语言变量，最终将这些模糊词连接起来组成模糊语句，建立规则库。

模糊推理的基础是模糊逻辑，是一种不确定性的推理方法。通过模糊语句，进行前提检查，然后得出结论，例如if A and B then C,其中A 和B 论域的模糊值，然后得出C 结果。表达形式通常为“若……则……否则……”形式。

精确化就是将模糊量转换为相应的确定量，以便于输出后进行准确控制。通常有最大隶属度法、取中位数法、左大和右大法以及加权平均法。

2 ABS 系统模糊逻辑控制分析

根据建立车轮的单轮模型分析得到：车轮的角速度、角加速度、滑动率是表明车轮运动状态的重要参数。ECU 对车轮信息的处理就是计算车轮的角加速度值、车辆的参考速度以及车轮的滑动率。

对于防抱死系统来说，根据哪些运动参数来判断车轮即将抱死应该减压或抱死已消失需要重新加压制动。一般的参数有：车轮角减（加）速度和滑动率、车轮角加速度和半径的乘积、汽车的参考车速和汽车的减速度等。

进行模糊控制建立模糊控制器之前，先确定模糊变量输入，将确定信号进行模糊化。目前进行的一般都是以车轮滑移率或者以车轮的角速度和角速度变化率作为输入的逻辑控制。

要确定合适的输入量，首先考虑其制动防抱死时的运动过程。通过以下几个方面考虑：⑴ 单个车轮的运动方程，特别是制动力矩μT ，制动力xb F 以及轮荷z F 之间的关系；⑵ 附着率—滑移曲线 通过滑移率的定义给出平移速度a u 和转速ω之间的关系；⑶ 制动力矩μT 与时间t 的关系；⑷ 整车运动

方程，由此可以给出减速度a u

和轴荷p F 的变化情况。

考虑到模型的复杂，现在对模型进行相应的简化处理如下：①附着率—滑移率曲线的简化数学处理。当滑移率小于20%时，附着率的值为：

η=

z

xb

F F （1-1） ②车轮上的制动力矩μT 假设与时间t 成正比，可得：

ct T -=μ （1-2）

其中c 为驾驶员踏板力产生的力矩增长率。

③制动时滑移率s ，可以根据驱动轮ω与从动轮的角速度0ω求得：

1ωω

-

=s （1-3） 同时也可以求得车速00r a r u ω= （1-4） 其中0r r 为车轮滚动半径

④车轮力矩方程，忽略滚动阻力。最后得到一个方程。

r F T J xb R +=μω

（1-5） 其中R J 为车轮的转动惯量，r 约为车轮运动时的滚动半径。

将式（1-1）、（1-2）、（1-3）、（1-4）代入方程（1-5），然后对该方程进行微分求解，得到车轮角速度和角减速度的典型时间变化过程，并得到抱死过程的两

个重要参数：车轮角减速度c ω 和从制动达到最大附着系数到车轮全抱死的时间*

0t 。

这两个值的特点为：c ω

为车轮达到或刚刚超过最大附着系数对应的车轮减速度，车轮角减速度超过这个值时，防抱死装置应该开始起作用，该值的大小主要与车轮轮荷，车轮半径，初始角速度和

滑移率等参数有关。时间*

0t 为车轮达到最大附着力到车轮完全抱死的时间。如果要防止车轮滑移，防抱死装置必须在该时间内对各车轮的制动力进行控制。该值的大小主要取决于车速a u ，更确切的说取决于对应的峰值附着系数对应的滑移率c s 和此时对应的车轮角速度c ω。

通过对以上两个特征值的分析，可以做出以下结论既车轮抱死状态的判断根据不同路面的附着系数和滑移率—附着系数曲线有关，因为不同的峰值附着系数所对应的车轮转速和角减速度不同，从

而确定的时间*

0t 也不同。

根据以上的结论进行ABS 系统控制器的主体设计思想。首先根据输入的车速和制动车轮角速度两个量。通过车速和车轮角速度对汽车的滑移率进行计算分析，然后可以根据系统内储存的附着率—滑移率曲线，识别目前的最大附着率以及计算出该附着率下对应的车轮角减速度。然后模拟出在该条件下达到抱死状态所需要的时间。根据车辆目前的运动状态来决定是否对某一车轮进行制动增压、保